Из повседневной практики известно, что в двигателе внутреннего сгорания, топке парового котла - всюду, где происходит сгорание, самое активное участие принимает атмосферный кислород. Без него нет горения. В космическом пространстве воздуха нет, поэтому для работы ракетных двигателей необходимо иметь топливо, содержащее два компонента - горючее и окислитель.
В жидкостных термохимических ракетных двигателях в качестве горючего используется спирт, керосин, бензин, анилин, гидразин, димстилгидразин, жидкий водород, а в качестве окислителя - жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота, жидкий фтор. Горючее и окислитель для ЖРД хранятся раздельно, в специальных баках и под давлением или с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где при их соединении развивается температура 3000 - 4500 °С.
Продукты сгорания, расширяясь, приобретают скорость 2500-4500 м/с, создавая реактивную тягу. Чем больше масса и скорость истечения газов, тем больше сила тяги двигателя. Насосы подают топливо к головке двигателя, в которой смонтировано большое число форсунок. Через одни из них в камеру впрыскивается окислитель, через другие - горючее. В любой машине при сгорании топлива образуются большие тепловые потоки, нагревающие стенки двигателя. Если не охлаждать стенки камеры, то она быстро прогорит, из какого материала ни была бы сделана. ЖРД, как правило, охлаждают одним из компонентов топлива. Для этого камеру делают двухстеночной. В зазоре между стенками протекает компонент топлива.
Большой удельный импульс тяги создает двигатель, работающий на жидком кислороде и жидком водороде. В реактивной струе этого двигателя газы мчатся со скоростью немногим больше 4 км/с. Температура струи около 3000°С, и состоит она из перегретого водяного пара, который образуется при сгорании водорода в кислороде. Основные данные типичных топлив для ЖРД приведены в таблице.
Европейское космическое агентство и Австралийский национальный университет успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей. Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов — даже в качестве маршевых.
С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге , зато кардинально превосходят их в экономичности . А эта экономичность прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.
Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» , построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.
Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».
Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток , а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.
Данный образец DS4G ещё не готов лететь в космос, но двигатели, созданные на его основе, позволят в будущем автоматическим аппаратам летать по всей Солнечной системе, используя необычайно малый запас топлива, что позволило авторам этого устройства обозвать его даже «ультраионным двигателем».
Вы просматриваете мобильную версию сайта.
Ионный двигатель NASA Evolutionary Xenon Thruster установил новый мировой рекорд, проработав непрерывно в течение 43 тысяч часов во время испытаний, проводимых в Лаборатории электрических двигательных установок Исследовательского центра НАСА имени Гленна. Этот семикиловаттный двигатель предназначен для того, чтобы приводить в движение будущие космические аппараты, предназначенные для миссий в дальнем космическом пространстве и в миссиях, где использование двигателей на химической реактивной тяге неприемлемо по многим причинам.
Развитие технологии ионных двигателей проделало большой путь, начиная с 1960-х годов, с момента, когда был создан первый такой двигатель. Вместо энергии горящего топлива, ионный двигатель использует электрическую энергию, получаемую от солнечных батарей или от ядерного источника. Электрическая энергия используется для ионизации газа, в большинстве случаев, ксенона, который является рабочим телом, топливом ионного двигателя. Ионы газа, имеющие электрический заряд, ускоряются и приобретают кинетическую энергию за счет электрического потенциала, приложенного к разгонному электроду. После этого поток высокоэнергетических ионов выпускается за пределы двигателя в открытое пространство, что создает тягу двигателя.
Схема ионного двигателя весьма проста и его конструкция проста в реализации, но количество тяги, вырабатываемой таким двигателем просто мизерно, двигатель вырабатывает тягу, эквивалентную силе давления лежащей монеты на поверхность стола. Но где ионный двигатель дает сто очков вперед обычному реактивному двигателю, так это в эффективности. Эффективность использования топлива ионным двигателем в 10-12 раз выше, чем у реактивного. Помимо этого, ионный двигатель может работать непрерывно в течение очень долгого времени, а время работы обычных двигателей исчисляется десятками секунд и минутами. Таким образом, ионный двигатель со своей крошечной тягой может в течение долгого времени разогнать любой космический корабль до скоростей, приемлемых для выполнения миссий в дальнем космосе.
Двигатель NEXT является двигателем следующего поколения НАСА. Его выходная мощность, равная семи киловаттам в два раза превышает мощность двигателя, установленного на космическом аппарате Dawn. благодаря которому этот космический аппарат стал самым быстрым космическим аппаратом в мире. Конструкция двигателя NEXT более проста, а сам двигатель очень легок, эффективен, обладает огромным ресурсом и запасом надежности.
Рекорд времени непрерывной работы двигателя NEXT составляет 43 тысячи часов, что эквивалентно почти пяти годам работы. За это все время двигатель потратил всего 770 кг топлива, ксенона. Работая в космосе, двигатель NEXT на 43 тысячи часов смог бы обеспечить 30 миллионов ньютон-секунд импульса, что может заставить космический корабль достаточно приличных размеров полететь с весьма высокой скоростью и очень далеко в космос.
Начальник отдела электрофизики Исследовательского центра имени м. В. Келдыша, профессор Олег Горшков обнародовал некоторые результаты большой исследовательской работы по созданию будущих космических кораблей. По мнению ученого, применение мощных плазменных двигателей в составе ядерной энергетической двигательной установки позволит создать космический корабль нового поколения.
— В ионном двигателе поступающее в него рабочее тело сначала ионизируется, затем положительно заряженные частицы ускоряются в электростатическом поле до заданной скорости и создают тягу, покидая двигатель, — завил Горшков. — Использовать ЯЭДУ с ионными двигателями можно на межорбитальном многоразовом буксире. К примеру, возить грузы между низкими и высокими орбитами, осуществлять полеты к астероидам. Можно создать многоразовый лунный буксир или отправить экспедицию на марс.
О применении ядерной энергии в космосе говорили еще в 60-е годы. Сегодня ученые космических держав вновь возвращаются к этой тематике. И одним из возможных кандидатов из числа плазменных двигателей, пригодных для использования в составе ЯЭДУ, является ионный двигатель, опытный образец которого уже создан в Центре им. Келдыша. Заданный ресурс ионного двигателя — 50 тысяч часов, что составляет более пяти лет непрерывной работы.
В октябре успешно начали штатную работу на орбите в составе космического аппарата разработки ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва" блоки коррекции на основе плазменных двигателей холловского типа нового поколения, которые были разработаны, испытаны и изготовлены специалистами ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша».
Созданием плазменных двигателей руководил профессор Олег Анатольевич Горшков во время его работы в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», являясь руководителем подразделения-разработчика и главным конструктором изделия .
Поздравляем коллектив разработчиков с успешным завершением многолетней ОКР —началом работы новых плазменных двигателей в космосе. Желаем дальнейших успехов в создании перспективных образцов космической техники.Плазменные двигатели холловского типа относятся к классу электромагнитных двигателей с внешним магнитным полем, в которых замкнутый дрейф электронов играет ключевую роль. В основе действия холловского двигателя лежит создание сильного электрического поля в плазме. Впервые идея о формировании заметного перепада потенциала в плазме была высказана советским физиком А.В. Жариновым в ходе исследований распределения потенциала по радиусу в цилиндрической магнитной ловушке с магнитными «пробками» при магнетронном способе создания плазмы, содержащей быстрые ионы. Позднее на базе этой идеи были разработаны две схемы холловских двигателей — двигатель с анодным слоем и стационарный плазменный двигатель .
Принято считать, что размер зоны ускорения в осевом направлении в стационарном плазменном двигателе больше, чем в двигателе с анодным слоем. Тем не менее, эти двигатели близки по принципу действия и достигаемым параметрам. С более подробным описанием результатов современных исследований проблем создания холловских двигателей можно ознакомиться в монографии «Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов» .
Россия занимала и занимает лидирующие позиции в области разработки холловских двигателей. В нашей стране накоплен уникальный опыт их практического применения. Основная область использования таких двигателей — поддержание орбиты геостационарных спутников связи в направлениях «север-юг» и «запад-восток».
С 2004 года российские холловские двигатели начали применяться на борту зарубежных космических аппаратов ведущих фирм США и Европы. В настоящее время 3 из 5 мировых лидеров по производству спутников , Thales Alenia Space и Space Systems/Loral ) используют холловские двигатели, сделанные в России.Таким образом, плазменные двигатели холловского типа — пример советской/российской технологии мирового уровня, активно использующейся не только в России, но и за рубежом.
Российская космическая промышленность ведет интенсивные работы по созданию новых космических двигателей для перспективных средств выведения на орбиту, заявил во вторник глава «Роскосмоса» Игорь Комаров.
Он отметил, что Россия также планирует разработать новое поколение двигателей РД-180, несмотря на то, что они отличаются уникальной надежностью и соотношением цена-качество. По мнению Комарова, РД-180 еще несколько лет будут пользоваться большим спросом на мировом рынке и оставаться конкурентоспособными.
Ионный двигатель нового поколения NASA Evolutionary Xenon Thruster сокращено NEXT поставил мировой рекорд - непрерывно работав на протяжении 43 тысяч часов в течении испытания. Испытания проводились в лаборатории электрических двигательных установок имени Гленна Исследовательского центра НАСА. Главное предназначения данного двигателя мощностью семь киловатт - заключается в обеспечении быстрого перемещения будущих космических кораблей, для преодоления длинных космических расстояний, а так же для целей в которых применение двигателей на химической реактивной тяге неприемлемо или не целесообразно.
Технологическое развитие ионных двигателей проделало уже достаточно длинный путь, оно берет свое начало 60 годах ХХ века, собственно с момента создания первого подобного двигателя. Энергия горящего топлива в ионном двигателе заменяется электроэнергией, обычно получаемой в таких случаях либо то солнечных батарей или источника ядерной энергии. Главная задача электроэнергии в данном двигателе заключается ионизации газа, в качестве которого как правило используется газ ксенон. Этот газ по сути и является основным топливом двигателя. Ионы газа, под воздействием электрического заряда - ускоряется и создает кинетическую энергию за счет электрического потенциала, приложенного к разгонному электроду. Затем высокоэнергетические ионы потоком выпускаются из двигателя в открытое пространство, что в конечном итоге создает тягу двигателя.
Схема строения ионного двигателя относительно проста, плюс он не сложен в изготовлении, но мощность тяги данного двигателя очень незначительна, двигатель производит тягу равную силе давления лежащей монеты на поверхность. Но с другой стороны ионный двигатель на много эффективнее обычного реактивного двигателя с точки зрения использования топлива, в данном аспекте его эффективность 10-12 раз выше чем у реактивного двигателя. Так же, если обычный двигатель непрерывно работает в течении десятков секунд или минут, то ионный двигатель может работать непрерывно в течении очень длительного периода времени. В итоге, несмотря на свою мизерную тягу, ионный двигатель в течении долгого периода времени может разогнать любой космический корабль до скорости, необходимой для выполнения задач в дальнем космосе.
Двигатель NEXT - это двигатель нового поколения двигателей НАСА. Входная мощность данного двигателя равна семи киловаттам, что в два раза превышает мощность двигателя, который был установлен на космическом аппарате Dawn - за счет чего этот космический аппарат был признан самым быстрым космическим аппаратом в мире. По мимо мощности конструкция ионного двигателя NEXT более проста в изготовлении, а двигатель получился очень легки с очень большим ресурсом и запасом надежности.
Рекордные 43 тысячи часов работы двигателя NEXT, это время эквивалентно почти пяти годам работы. За это время двигателем было израсходовано 770 кг. топлива - ксенона. При эквивалентном времени работы в космосе, двигатель смог бы произвести импульс в размере 30 миллионов ньютон-секунд, что могло бы дать возможность достаточно приличному космическому кораблю полететь на очень далекие расстояния с весьма высокой скоростью.
Источники: galspace.spb.ru, www.membrana.ru, www.dailytechinfo.org, oko-planet.su, sdelanounas.ru, rusfact.ru, consolp.com
Все люди живут в обществе и находятся в постоянном общении с разными людьми. Чтобы отношения с ...
Пожалуй, нет такого человека, который бы в летнюю изнуряющую жару не мечтал окунуться в прохладную воду ...
Одной из самых живописных стран Европы считается Ирландия. Эта страна обладает увлекательной историей, которая скрывает много ...
Существует много различных измерительных приборов. Есть приборы для измерения температуры, размеров, атмосферных давлений. Но так же существуют ...
В начале творения, когда кроме богов никаких живых существ еще не было, существовал лишь один первочеловек Пуруша. Трудно понять, кем или чем он был,...
Луноход-1 был создан в конструкторском бюро химкинского Машиностроительного завода имени С. А. Лавочкина под руководством Григория Николаевича Бабакина. Самоходное шасси для Лунохода было создано...
objective-news.ru
В космос на атомной тяге. Мечты и реальность.
доктор физико-математических наук Ю. Я. СтависскийВ 1950 году я защитил диплом инженера-физика в Московском механическом институте (ММИ) Министерства боеприпасов. Пятью годами раньше, в 1945-м, там был образован инженерно-физический факультет, готовивший специалистов для новой отрасли, в задачи которой входило в основном производство ядерного боеприпаса. Факультет не имел себе равных. Наряду с фундаментальной физикой в объёме университетских курсов (методы математической физики, теория относительности, квантовая механика, электродинамика, статистическая физика и другие) нам преподавали полный набор инженерных дисциплин: химию, металловедение, сопротивление материалов, теорию механизмов и машин и пр. Созданный выдающимся советским физиком Александром Ильичём Лейпунским инженерно-физический факультет ММИ вырос со временем в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Другой инженерно-физический факультет, также влившийся впоследствии в МИФИ, был сформирован в Московском энергетическом институте (МЭИ), но если в ММИ основной упор делался на фундаментальную физику, то в Энергетическом — на тепло- и электрофизику.Квантовую механику мы изучали по книге Дмитрия Ивановича Блохинцева. Каково же было моё удивление, когда при распределении меня направили к нему на работу. Я, заядлый экспериментатор (в детстве разобрал все часы в доме), и вдруг попадаю к известному теоретику. Меня охватила лёгкая паника, но по прибытии на место — „Объект В“ МВД СССР в Обнинске — сразу понял, что волновался напрасно.
К этому времени основная тематика „Объекта В“, во главе которого до июня 1950 года фактически стоял А.И. Лейпунский, уже сформировалась. Здесь создавали реакторы с расширенным воспроизводством ядерного горючего — „быстрые бридеры“. На посту директора Блохинцев инициировал развитие нового направления — создание двигателей на атомной тяге для космических полётов. Овладение космосом было давней мечтой Дмитрия Ивановича, ещё в юности он переписывался и встречался с К.Э. Циолковским. Я думаю, что понимание гигантских возможностей ядерной энергии, по теплотворной способности в миллионы раз превышающей лучшие химические топлива, и определило жизненный путь Д.И. Блохинцева.„Лицом к лицу лица не увидать“… В те годы мы многого не понимали. Только сейчас, когда наконец-то появилась возможность сопоставить дела и судьбы выдающихся учёных Физико-энергетического института (ФЭИ) — бывшего „Объекта В“, переименованного 31 декабря 1966 года — складывается верное, как мне кажется, понимание идей, двигавших ими в то время. При всём многообразии дел, которыми приходилось заниматься институту, можно выделить приоритетные научные направления, оказавшиеся в сфере интересов его ведущих физиков.
Главный интерес АИЛа (так в институте за глаза называли Александра Ильича Лейпунского) — развитие глобальной энергетики на основе быстрых реакторов-бридеров (ядерных реакторов, не имеющих ограничений в ресурсах ядерного горючего). Трудно переоценить значение этой поистине „космической“ проблемы, которой он посвятил последние четверть века своей жизни. Немало сил Лейпунский потратил и на оборону страны, в частности на создание атомных двигателей для подводных лодок и тяжелых самолётов.
Интересы Д.И. Блохинцева (за ним закрепилось прозвище „Д. И.“) были направлены на решение проблемы использования ядерной энергии для космических полётов. К сожалению, в конце 1950-х годов он был вынужден оставить эту работу и возглавить создание международного научного центра — Объединённого института ядерных исследований в Дубне. Там он занимался импульсными быстрыми реакторами — ИБР. Это стало последним большим делом его жизни.
Одна цель — одна команда
Д.И. Блохинцев, преподававший в конце 1940-х в МГУ, приметил там, а затем пригласил на работу в Обнинск молодого физика Игоря Бондаренко, который буквально бредил космическими кораблями на атомной тяге. Первым его научным руководителем был А.И. Лейпунский, и Игорь, естественно, занимался его тематикой — быстрыми бридерами.
При Д.И. Блохинцеве вокруг Бондаренко сформировалась группа учёных, которые объединились, чтобы решить проблемы использования атомной энергии в космосе. Кроме Игоря Ильича Бондаренко в группу входили: Виктор Яковлевич Пупко, Эдвин Александрович Стумбур и автор этих строк. Главным идеологом был Игорь. Эдвин проводил экспериментальные исследования наземных моделей ядерных реакторов космических установок. Я занимался в основном ракетными двигателями „малой тяги“ (тяга в них создаётся своеобразным ускорителем — „ионным движителем“, который питается энергией от космической атомной электростанции). Мы исследовали процессы, протекающие в ионных движителях, на наземных стендах.
На Викторе Пупко (в будущем он стал начальником отделения космической техники ФЭИ) лежала большая организационная работа. Игорь Ильич Бондаренко был выдающимся физиком. Он тонко чувствовал эксперимент, ставил простые, изящные и весьма эффективные опыты. Я думаю, как ни один экспериментатор, да, пожалуй, и немногие теоретики, „чувствовал“ фундаментальную физику. Всегда отзывчивый, открытый и доброжелательный, Игорь был поистине душой института. До сих пор ФЭИ живёт его идеями. Бондаренко прожил неоправданно короткую жизнь. В 1964-м, в возрасте 38 лет, он трагически погиб из-за врачебной ошибки. Как будто Бог, увидев, как много человек сделал, решил, что это уже чересчур и скомандовал: „Хватит“.
Нельзя не вспомнить ещё одну уникальную личность — Владимира Александровича Малыха, технолога „от Бога“, современного лесковского Левшу. Если „продукцией“ упомянутых выше учёных были в основном идеи и расчётные оценки их реальности, то работы Малыха всегда имели выход „в металле“. Его технологический сектор, насчитывавший во времена расцвета ФЭИ более двух тысяч сотрудников, мог сделать, без преувеличения, всё. Причём ключевую роль всегда играл он сам.
В.А. Малых начинал лаборантом в НИИ ядерной физики МГУ, имея за душой три курса физфака, — доучиться не дала война. В конце 1940-х годов ему удалось создать технологию изготовления технической керамики на основе окиси бериллия — материала уникального, диэлектрика с высокой теплопроводностью. До Малыха многие безуспешно бились над этой проблемой. А топливный элемент на основе серийной нержавеющей стали и природного урана, разработанный им для первой атомной электростанции, — чудо по тем да и по нынешнем временам. Или созданный Малыхом термоэмиссионный топливный элемент реактора-электрогенератора для питания космических аппаратов — „гирлянда“. До сих пор в этой области не появилось ничего лучшего. Творения Малыха были не демонстрационными игрушками, а элементами ядерной техники. Они работали месяцы и годы. Владимир Александрович стал доктором технических наук, лауреатом Ленинской премии, Героем Социалистического Труда. В 1964 году он трагически погиб от последствий военной контузии.
Шаг за шагом
С.П. Королёв и Д.И. Блохинцев с давних пор вынашивали мечту о полёте человека в космос. Между ними установились тесные рабочие связи. Но в начале 1950-х годов, в разгар „холодной войны“, средств не жалели только на военные цели. Ракетная техника рассматривалась лишь как носитель ядерных зарядов, а о спутниках и не помышляли. Между тем Бондаренко, зная о последних достижениях ракетчиков, настойчиво выступал за создание искусственного спутника Земли. Впоследствии об этом никто и не вспомнил.
Любопытна история создания ракеты, поднявшей в космос первого космонавта планеты — Юрия Гагарина. Связана она с именем Андрея Дмитриевича Сахарова. В конце 1940-х годов он разработал комбинированный делительно-термоядерный заряд — „слойку“, видимо, независимо от „отца водородной бомбы“ Эдварда Теллера, который предложил аналогичное изделие под названием „будильник“. Однако вскоре Теллер понял, что ядерный заряд такой схемы будет иметь „ограниченную“ мощность, не более ~ 500 килотонн толового эквивалента. Для „абсолютного“ оружия этого мало, поэтому „будильник“ был заброшен. В Союзе же в 1953 году взорвали сахаровскую слойку РДС-6с.
После успешных испытаний и избрания Сахарова в академики тогдашний глава Минсредмаша В.А. Малышев пригласил его к себе и поставил задачу определить параметры бомбы следующего поколения. Андрей Дмитриевич оценил (без детальной проработки) вес нового, значительно более мощного заряда. Докладная Сахарова легла в основу постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР, которое обязало С.П. Королёва разработать под этот заряд баллистическую ракету-носитель. Именно такая ракета Р-7 под названием „Восток“ и вывела на орбиту искусственный спутник Земли в 1957-м и космический корабль с Юрием Гагариным в 1961-м. Использовать её как носитель тяжёлого ядерного заряда тогда уже не планировали, поскольку развитие термоядерного оружия пошло иным путём.
На начальном этапе космической ядерной программы ФЭИ совместно с КБ В.Н. Челомея разрабатывал крылатую атомную ракету. Это направление развивалось недолго и завершилось расчётами и испытанием элементов двигателя, созданного в отделении В.А. Малыха. По сути, речь шла о низколетящем беспилотном самолете с прямоточным ядерным двигателем и ядерной боеголовкой (своего рода ядерный аналог „жужжащего клопа“ — немецкой V-1). Система стартовала с помощью обычных ракетных ускорителей. После выхода на заданную скорость тяга создавалась атмосферным воздухом, нагреваемым за счёт цепной реакции деления окиси бериллия, пропитанной обогащённым ураном.
Вообще говоря, возможность выполнения ракетой той или иной задачи космонавтики определяется скоростью, которую она приобретает после использования всего запаса рабочего тела (топлива и окислителя). Её вычисляют по формуле Циолковского: V = c×lnMн/ Мк, где с — скорость истечения рабочего тела, а Мн и Мк — начальная и конечная масса ракеты. В обычных химических ракетах скорость истечения определяется температурой в камере сгорания, видом топлива и окислителя и молекулярным весом продуктов сгорания. Например, американцы для высадки астронавтов на Луну использовали в спускаемом аппарате в качестве топлива водород. Продукт его сгорания — вода, чей молекулярный вес сравнительно низок, и скорость истечения в 1,3 раза выше, чем при сжигании керосина. Этого достаточно, чтобы спускаемый аппарат с космонавтами достиг поверхности Луны и затем вернул их на орбиту её искусственного спутника. У Королёва работы с водородным топливом были приостановлены из-за аварии с человеческими жертвами. Создать лунный спускаемый аппарат для человека мы не успели.
Один из путей существенного повышения скорости истечения — создание ядерных термических ракет. У нас это были баллистические атомные ракеты (БАР) с радиусом действия несколько тысяч километров (совместный проект ОКБ-1 и ФЭИ), у американцев — аналогичные системы типа „Киви“. Двигатели испытывались на полигонах под Семипалатинском и в Неваде. Принцип их действия следующий: водород нагревается в ядерном реакторе до высоких температур, переходит в атомарное состояние и уже в таком виде истекает из ракеты. Скорость истечения при этом повышается более чем вчетверо по сравнению с химической водородной ракетой. Вопрос состоял в том, чтобы выяснить, до какой температуры можно нагреть водород в реакторе с твёрдыми топливными элементами. Расчёты давали около 3000°К.
В НИИ-1, научным руководителем которого был Мстислав Всеволодович Келдыш (тогда президент Академии наук СССР), отдел В.М. Иевлева с участием ФЭИ занимался совсем уж фантастической схемой — газофазным реактором, в котором цепная реакция протекает в газовой смеси урана и водорода. Из такого реактора водород истекает ещё раз в десять быстрее, чем из твёрдотопливного, уран же сепарируется и остаётся в активной зоне. Одна из идей предполагала использование центробежной сепарации, когда горячая газовая смесь урана и водорода „закручивается“ поступающим холодным водородом, в результате чего уран и водород разделяются, как в центрифуге. Иевлев пытался, по сути дела, прямо воспроизвести процессы в камере сгорания химической ракеты, используя в качестве источника энергии не теплоту сгорания топлива, а цепную реакцию деления. Это открывало путь к полному использованию энергоёмкости атомных ядер. Но вопрос о возможности истечения из реактора чистого водорода (без урана) так и остался нерешённым, не говоря уже о технических проблемах, связанных с удержанием высокотемпературных газовых смесей при давлениях в сотни атмосфер.
Работы ФЭИ по баллистическим атомным ракетам завершились в 1969–1970 годах „огневыми испытаниями“ на семипалатинском полигоне прототипа ядерного ракетного двигателя с твёрдыми топливными элементами. Его создавал ФЭИ в кооперации с воронежским КБ А.Д. Конопатова, московским НИИ-1 и рядом других технологических групп. Основу двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твёрдого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000°К при мощности реактора ~ 170 МВт.
Атомные ракеты малой тяги
До сих пор речь шла о ракетах с тягой, превышающей их вес, которые могли бы стартовать с поверхности Земли. В таких системах увеличение скорости истечения позволяет снизить запас рабочего тела, повысить полезную нагрузку и отказаться от многоступенчатости. Однако есть пути достижения практически неограниченных скоростей истечения, например ускорение вещества электромагнитными полями. Я занимался этим направлением в тесном контакте с Игорем Бондаренко почти 15 лет.
Ускорение ракеты с электрореактивным двигателем (ЭРД) определяется отношением удельной мощности установленной на них космической атомной электростанции (КАЭС) к скорости истечения. В обозримом будущем удельные мощности КАЭС, судя по всему, не превысят 1 кВт/кг. При этом возможно создание ракет с малой тягой, в десятки и сотни раз меньшей веса ракеты, и с очень малым расходом рабочего тела. Такая ракета может стартовать только с орбиты искусственного спутника Земли и, медленно ускоряясь, достигать больших скоростей.
Для полётов в пределах Солнечной системы нужны ракеты со скоростью истечения 50–500 км/с, а для полётов к звёздам — выходящие за пределы нашего воображения „фотонные ракеты“ со скоростью истечения, равной скорости света. Чтобы осуществить сколько-нибудь разумный по времени дальний космический полёт, необходимы невообразимые удельные мощности энергетических установок. Пока нельзя даже представить, на каких физических процессах они могут быть основаны.
Проведенные расчёты показали, что во время Великого противостояния, когда Земля и Марс находятся ближе всего друг к другу, можно за один год осуществить полёт ядерного космического корабля с экипажем к Марсу и возвратить его на орбиту искусственного спутника Земли. Полный вес такого корабля — около 5 т (включая запас рабочего тела — цезия, равный 1,6 т). Он определяется в основном массой КАЭС мощностью 5 МВт, а реактивная тяга — двухмегаваттным пучком ионов цезия с энергией 7 килоэлектронвольт *. Корабль стартует с орбиты искусственного спутника Земли, выходит на орбиту спутника Марса, а спускаться на его поверхность придётся уже на аппарате с водородным химическим двигателем, подобным американскому лунному.
Этому направлению, основанному на технических решениях, возможных уже сегодня, был посвящён большой цикл работ ФЭИ.
Ионные движители
В те годы обсуждались пути создания различных электрореактивных движителей для космических аппаратов, таких, как „плазменные пушки“, электростатические ускорители „пыли“ или капель жидкости. Однако ни одна из идей не имела под собой чёткой физической основы. Находкой оказалась поверхностная ионизация цезия.
Ещё в 20-е годы прошлого века американский физик Ирвинг Лэнгмюр открыл поверхностную ионизацию щелочных металлов. При испарении атома цезия с поверхности металла (в нашем случае — вольфрама), у которого работа выхода электронов больше потенциала ионизации цезия, он практически в 100% случаев теряет слабо связанный электрон и оказывается однократно заряженным ионом. Таким образом, поверхностная ионизация цезия на вольфраме и есть тот физический процесс, который позволяет создать ионный движитель с почти 100-процентным использованием рабочего тела и с энергетическим КПД, близким к единице.
Большую роль в создании моделей ионного движителя такой схемы сыграл наш коллега Сталь Яковлевич Лебедев. Своим железным упорством и настойчивостью он преодолевал все преграды. В результате удалось воспроизвести в металле плоскую трёхэлектродную схему ионного движителя. Первый электрод — пластина вольфрама размером примерно 10×10 см с потенциалом +7 кВ, второй — сетка из вольфрама с потенциалом -3 кВ, третий — сетка из торированного вольфрама с нулевым потенциалом. „Молекулярная пушка“ давала пучок паров цезия, который сквозь все сетки попадал на поверхность вольфрамовой пластины. Уравновешенная и откалиброванная металлическая пластина, так называемые весы, служила для измерения „силы“, т. е. тяги ионного пучка.
Ускоряющее напряжение до первой сетки разгоняет ионы цезия до 10 000 эВ, тормозящее напряжение до второй замедляет их до 7000 эВ. Это та энергия, с которой ионы должны покидать движитель, что соответствует скорости истечения 100 км/с. Но пучок ионов, ограниченный объёмным зарядом, не может „выйти в открытый космос“. Объёмный заряд ионов необходимо скомпенсировать электронами, чтобы образовалась квазинейтральная плазма, которая беспрепятственно распространяется в пространстве и создаёт реактивную тягу. Источником электронов для компенсации объёмного заряда ионного пучка служит нагреваемая током третья сетка (катод). Вторая, „запирающая“ сетка не даёт электронам попасть с катода на вольфрамовую пластину.
Первый опыт с моделью ионного движителя положил начало более чем десятилетним работам. Одна из последних моделей — с пористым вольфрамовым эмиттером, созданная в 1965 году, давала „тягу“ около 20 г при токе ионного пучка 20 А, имела коэффициент использования энергии около 90% и вещества — 95%.
Прямое преобразование ядерного тепла в электричество
Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы ещё не можем обойтись без промежуточного звена — тепловой машины. Поскольку её КПД всегда меньше единицы, „отработанное“ тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь — тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без „холодильника-излучателя“. Плотность же излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать „прямое“ преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надёжным при длительной работе в области высоких температур.
Из литературы мы знали о работах А.Ф. Иоффе — основателя советской школы технической физики, пионера в исследовании полупроводников в СССР. Мало кто теперь помнит о разработанных им источниках тока, применявшихся в годы Великой Отечественной войны. Тогда не один партизанский отряд имел связь с Большой землёй благодаря „керосиновым“ ТЭГам — термоэлектрогенераторам Иоффе. „Венец“ из ТЭГов (он представлял собой набор полупроводниковых элементов) надевался на керосиновую лампу, а его провода подсоединялись к радиоаппаратуре. „Горячие“ концы элементов нагревались пламенем керосиновой лампы, „холодные“ — остывали на воздухе. Поток тепла, проходя через полупроводник, порождал электродвижущую силу, которой хватало для сеанса связи, а в промежутках между ними ТЭГ заряжал аккумулятор. Когда через десять лет после Победы мы побывали на московском заводе ТЭГов, оказалось, что они ещё находят сбыт. У многих деревенских жителей были тогда экономичные радиоприемники „Родина“ на лампах прямого накала, работающие от батареи. Вместо них зачастую использовали ТЭГи.
Беда керосинового ТЭГа — его низкий КПД (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350°К). Но простота и надёжность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г. Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа „Бук“.
В свое время А.Ф. Иоффе предложил ещё один термоэмиссионный преобразователь — диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего КПД (20–25%) при рабочей температуре выше 1000°К. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею „вакуумного“ преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объёмного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф. Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счёт поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объёмный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь — это „обращённый“ ионный движитель. Физические процессы в них близки.
«Гирлянды» В.А. Малыха
Одним из результатов работ ФЭИ над термоэмиссионными преобразователями были создание В.А. Малыхом и серийный выпуск в его отделении тепловыделяющих элементов из последовательно соединённых термоэмиссионных преобразователей — „гирлянд“ для реактора „Топаз“. Они давали до 30 В — раз в сто больше, чем одноэлементные преобразователи, созданные „конкурирующими организациями“ — ленинградской группой М.Б. Барабаша и позднее — Институтом атомной энергии. Это позволяло „снимать“ с реактора в десятки и сотни раз большую мощность. Однако надёжность системы, напичканной тысячами термоэмиссионных элементов, вызывала опасения. В то же время паро- и газотурбинные установки работали без сбоев, поэтому мы обратили внимание и на „машинное“ преобразование ядерного тепла в электричество.
Вся трудность заключалась в ресурсе, ведь в дальних космических полётах турбогенераторы должны работать год, два, а то и несколько лет. Чтобы уменьшить износ, „обороты“ (скорость вращения турбины) нужно сделать по возможности более низкими. С другой стороны, турбина работает эффективно, если скорость молекул газа или пара близка к скорости её лопаток. Поэтому сначала мы рассматривали применение самого тяжёлого — ртутного пара. Но нас испугала интенсивная радиационно-стимулированная коррозия железа и нержавеющей стали, которая возникала в охлаждаемом ртутью ядерном реакторе. За две недели коррозия „съела“ тепловыделяющие элементы опытного быстрого реактора „Клементина“ в Аргонской лаборатории (США, 1949 год) и реактора БР-2 в ФЭИ (СССР, Обнинск, 1956 год).
Заманчивым оказался калиевый пар. Реактор с кипящим в нём калием лёг в основу разрабатываемой нами энергетической установки космического корабля малой тяги — калиевый пар вращал турбогенератор. Такой „машинный“ способ преобразования тепла в электричество позволял рассчитывать на КПД до 40%, в то время как реальные термоэмиссионные установки давали кпд всего около 7%. Однако КАЭС с „машинным“ преобразованием ядерного тепла в электричество не получили развития. Дело завершилось выпуском подробного отчёта, по сути — „физической записки“ к техническому проекту космического корабля малой тяги для полёта с экипажем к Марсу. Сам проект так и не был разработан.
В дальнейшем, я думаю, просто пропал интерес к космическим полётам с использованием ядерных ракетных двигателей. После смерти Сергея Павловича Королёва поддержка работ ФЭИ по ионным движителям и „машинным“ ядерно-энергетическим установкам заметно ослабла. ОКБ-1 возглавил Валентин Петрович Глушко, у которого не было интереса к смелым перспективным проектам. Созданное им ОКБ „Энергия“ строило мощные химические ракеты и возвращаемый на Землю космический корабль „Буран“.
«Бук» и «Топаз» на спутниках серии «Космос»
Работы по созданию КАЭС с прямым преобразованием тепла в электричество, теперь уже в качестве источников питания для мощных радиотехнических спутников (космических радиолокационных станций и телетрансляторов), продолжались до начала перестройки. С 1970 по 1988 год в космос запустили около 30 радиолокационных спутников с ядерно-энергетическими установками „Бук“ с полупроводниковыми реакторами-преобразователями и два — с термоэмиссионными установками „Топаз“. „Бук“, по сути дела, представлял собой ТЭГ — полупроводниковый преобразователь Иоффе, только вместо керосиновой лампы в нём использовался ядерный реактор. Это был быстрый реактор мощностью до 100 кВт. Полная загрузка высокообогащённого урана составляла около 30 кг. Тепло из активной зоны передавалось жидким металлом — эвтектическим сплавом натрия с калием полупроводниковым батареям. Электрическая мощность достигала 5 кВт.
Установку „Бук“ под научным руководством ФЭИ разрабатывали специалисты ОКБ-670 М.М. Бондарюка, позднее — НПО „Красная звезда“ (главный конструктор — Г.М. Грязнов). Создать ракету-носитель для вывода спутника на орбиту поручили днепропетровскому КБ „Южмаш“ (главный конструктор — М.К. Янгель).
Время работы „Бука“ — 1–3 месяца. Если установка отказывала, спутник переводили на орбиту длительного существования высотой 1000 км. За почти 20 лет запусков было три случая падения спутника на Землю: два — в океан и один — на сушу, в Канаде, в окрестности Большого Невольничьего озера. Туда упал „Космос-954“, запущенный 24 января 1978 года. Он проработал 3,5 месяца. Урановые элементы спутника полностью сгорели в атмосфере. На земле нашли лишь остатки бериллиевого отражателя и полупроводниковых батарей. (Все эти данные приведены в совместном отчёте атомных комиссий США и Канады об операции „Утренний свет“.)
В термоэмиссионной ядерно-энергетической установке „Топаз“ использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла около 12 кг — значительно меньше, чем у „Бука“. Основой реактора были тепловыделяющие элементы — „гирлянды“, разработанные и изготовленные группой Малыха. Они представляли собой цепочку термоэлементов: катод — „напёрсток“ из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод — тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Температура катода достигала 1650°C. Электрическая мощность установки доходила до 10 кВт.
Первый лётный образец — спутник „Космос-1818“ с установкой „Топаз“ вышел на орбиту 2 февраля 1987 года и безотказно проработал полгода, до исчерпания запасов цезия. Второй спутник — „Космос-1876“ был запущен через год. Он отработал на орбите почти в два раза дольше. Главным разработчиком „Топаза“ было ОКБ ММЗ „Союз“, возглавляемое С.К. Туманским (бывшее КБ конструктора авиамоторов А.А. Микулина).
Термоэмиссионные реакторы-преобразователи, созданные под научным руководством ФЭИ, — крупнейшее достижение российской науки и техники. В 1980-х годах им не было равных. Успех „Топазов“ стимулировал разработку ряда проектов реакторов с термоэмиссионными преобразователями, в частности ядерно-энергетической установки электрической мощностью до 500 кВт на основе реактора с литиевым охлаждением. Его совместно создавали ФЭИ и НПО „Энергия“, где работу возглавлял старейший ракетчик Михаил Васильевич Мельников. Хочу воспользоваться случаем и поделиться, в заключение, впечатлениями о знакомстве с его замечательной лабораторией.
Это было в конце 1950-х годов, когда мы занимались ионным движителем, а он — двигателем третьей ступени, предназначавшимся для ракеты, которой предстояло облететь Луну и совершить посадку на неё. Воспоминания о мельниковской лаборатории свежи и поныне. Она располагалась в Подлипках (ныне г. Королёв), на площадке № 3 ОКБ-1. Огромный цех площадью около 3000 м2, уставленный десятками письменных столов со шлейфными осциллографами, производящими запись на 100-миллиметровой рулонной бумаге (это была ещё прошлая эпоха, сегодня хватило бы одного персонального компьютера). У передней стены цеха — стенд, где монтируется камера сгорания двигателя „лунной“ ракеты. К осциллографам идут тысячи проводов от датчиков скорости газов, давления, температуры и других параметров. День начинается в 9.00 с зажигания двигателя. Он работает несколько минут, затем сразу после остановки бригада механиков первой смены разбирает его, тщательно осматривает и измеряет камеру сгорания. Одновременно анализируются ленты осциллографов и вырабатываются рекомендации по изменениям конструкции. Вторая смена — конструкторы и рабочие мастерских вносят рекомендованные изменения. В третью смену на стенде монтируются новая камера сгорания и система диагностики. Через сутки, ровно в 9.00, — следующий сеанс. И так без выходных недели, месяцы. Более 300 вариантов двигателя за год!
Так создавались двигатели химических ракет, которым предстояло работать всего 20–30 минут. Что же говорить об испытаниях и доработках ядерно-энергетических установок — расчёт был на то, что они должны работать не один год. Это требовало поистине гигантских усилий.
Отсюда:http://wsyachina.narod.ru/technology/rocket_3.html
nocturnal-kira.livejournal.com
Тема этой статьи — чистый оффтоп.Она относится к теме сайта, как садовая калитка к Ньютону, который через нее ходил.
Однако, новость такова, что я просто не мог пройти мимо.
Суть в чем — построен двигатель для космических аппаратов, который не выбрасывает массу, то есть — он не реактивный. Он невозможный. Ближе всего к его принципу работы историю Мюнгхаузена, который за волосы вытащил себя из болота. И заметьте — вместе с лошадью!
Здесь главное отличие от Мюнгхаузена в том, что двигатель работает на квантовых эффектах.Имеем магнетрон как в микроволновке, который излучает в замкнутом объеме. Но этот объем имеет неправильную форму — он конусовидный и один торец больше другого. Так вот, при поглощении энергии медными стенками происходит квантовый эффект, что позволяет иметь тягу в сторону бОльшей стенки.
Собственно, попытки изобрести подобное встречаются постоянно. Вот даже на российском спутнике «Юбилейный» был установлен инерциоид (протолкнули лоббисты «торсионных полей»). Результата, естественно, не было.
Но этот случай иной — этот случай был протестирован NASA с ошеломительным результатом — гравицапа работает!…
Тестирование дало тягу в районе 50-70 микро-ньютонов. Это где-то в районе 6 грамм. Это много меньше даже таких слабосильных движков, как ионные. И, понятно, жрать электричества сия девайса будет немеряно.Однако главное отличие от ионных движков — ему не нужна реактивная масса. Что сразу фактически наполовину снижает массу самого аппарата, а срок его работы продлевает куда-то в бесконечность, была бы энергия.
Конечно, возникает еще куча вопросов.С одной стороны, китайцы посчитали, и сказали что теория жизнеспособна (еще в 2010). И сделали движок с тягой 720 микроньютон.С другой стороны — та же NASA проводила испытания пусть и в вакуумной камере, но без вакуума, так что варианты для сомнения остаются.
Но я пишу это не для того, чтобы пересказать известные данные. Я хочу ударится в футурологию.Давайте допустим, что ни NASA, ни китайцы не ошиблись и движок реально работает…
Итак, мы имеем двигатель, явно работающий на квантовом эффекте.Напоминаю — квантовая теория это наиболее точно проверенная практикой теория за всю историю человечества. И, вероятно, самая используемая. Во всех электронных приблудах используется квантовая теория, а в тех же мобилках в антенне стоит если не диод Ганна, то туннельный диод, в них квантовые эффекты в чистом виде.
И очень скоро с этой гравицапой разберутся и сделают ее полупроводниковый аналог. Который будет отличатся от этого лабораторного образца как паровая турбина от машины Ньюкомена. И уж поверьте — разработают такое очень быстро, просто потому, что в электронике оно все очень быстро.
И вот тогда все и начнется!Конечно, в первую очередь такие двигатели получат автоматические межпланетные аппараты. Сейчас они большую часть пути проходят по инерции, не зря им приходится делать разгон в гравитационном поле планеты (вспоминаем «Вояджер-1» который освоил его в гравитационной яме Юпитера). Но гравицапа сможет поддерживать пусть маленькое, но постоянное ускорение. Как результат — путь к окраинным планетам сократится с лет на месяцы.Потом двигатель разовьется, повысится КПД, уменьшится потребление — и будут их ставить на пилотируемые корабли к Марсу. На чартерные рейсы.
Дальше-больше — цена падает, цена не космическая и применения пойдут не космические. Сначала, конечно, авиация. Маленькому самолету нужно не так много тяги, а аэродинамику гравицапа не портит.Но тут есть одна интересная особенность.Уже видно, что тяга будет зависеть от площади поверхности. А этот мир трехмерен и при уменьшении размеров площадь поверхности растет быстрее объема. Именно поэтому чайник остывает быстрее ванной, а руду размалывают в порошок, чтобы максимизировать эту самую площадь поверхности.
Отсюда следует — маленькие самолеты будет строить практичнее, чем большие.Это в случае с реактивными движками на химическом топливе масштабирование дает эффект, а здесь все наоборот.Сейчас летающий автомобиль (даже с закрытыми винтами) невозможно посадить в колодец улиц между домами. Просто потому, что при посадке образуется воздушная подушка, которая может очень быстро и непредсказуемо как образоваться, так и исчезнуть. И никакая электроника не спасет от резкой потери высоты с потенциальными жертвами. Тут же гравицапа дает абсолютно ровный подъем, никаких воздушных потоков. Современные квадрокоптеры — это проходной этап.
И небо будет все в летающих автомобиляхИ в летающих роботах доставки. И в летающих камерах слежения.
Соотношение масса-площадь дает интересное развитие космонавтики. Если микро-спутник весит 20 грамм, то ему копеечной тяги хватит, чтобы вылететь за атмосферу и уже там спокойно набрать первую космическую. Да даже спутники поболее будут разгоняться там, где уже атмосферы нет.Но представляете как будет выглядеть толпа микроскопических летательных аппаратов, объединенная в единый рой? Все читали «Непобедимого» Станислава Лема?
Особенно интересными будут выглядеть пылинки-разведчики. Когда устройство весит доли грамма, то ей хватит тяги на доли грамма, чтобы разогнаться до заметных скоростей, а энергии при этом нужно вообще незаметное количество. Представьте себе пыльное облако — разведчик? А ударное пыльное облако?
Применения будут самыми неожиданными, которые мы сейчас даже придумать не сможем.Вот споры в Формуле-1 по поводу «разрешать ли антикрыло из гравицапы, чтобы машина в повороте стояла» не хотите ли?Что, слишком фантастично?А робот, пробивающий засоры в ливневых стоках — как вам?А девайс для забивания свай? А мойщики окон в такой «летающей люльке»?А барражирующие пули, которые могут хоть и долго, но разгоняться до гиперзвуковых скоростей?Да гравицапы еще будут ставится в электронные замки вместо соленоидов!
Есть шанс, что мир будет гораздо больше похож на тот, который показан в «Пятом Элементе», чем нам даже представляется. Даёшь летающие закусочные!
Ну, это все если, конечно, эффект действительно есть, а то ведь бывает всякое…
P.S. Если я тут увлекся и описал Нью-Васюки, не бейте строго, все-таки оффтоп.
www.popadancev.net
Геликон — духовой музыкальный инструмент. Физики называют этим словом электромагнитную волну, которая возбуждается в плазме, находящейся в магнитном поле. Быть может, в будущем слово «геликон» станет нарицательным названием плазменных двигателей, которые будут разгонять земные космические корабли к далеким планетам.
Дмитрий Мамонтов
25 января 2010 15:48
За прошедшие полвека земная космонавтика уверенно освоила околоземное пространство и начала изучение планет Солнечной системы, опираясь на традиционные двигатели на химическом топливе. Конечно, еще многие годы космонавтика будет полагаться на старую добрую «химию». Но химические двигатели имеют серьезное ограничение, связанное с энергетикой химических реакций. Они чрезвычайно «прожорливы», то есть имеют низкий удельный импульс (отношение импульса к массовому расходу топлива). Поэтому космические аппараты, которые ученые посылают к окраинам Солнечной системы, несут совсем небольшую полезную нагрузку, даже с учетом гравитационных маневров в поле тяготения планет, используемом для дополнительного разгона.
Вполне возможно, что на смену «химии» придут электрореактивные двигатели (ЭРД). Именно на ЭРД в последнее время возлагают большие надежды конструкторы космической техники. «ПМ» уже писала об истории российских плазменных двигателей СПД (№12'2005), которые используются в качестве маневровых и корректировочных в некоторых спутниках связи. ЭРД этого же типа стоял на европейском зонде SMART-1, отправленном к Луне в 2003 году, американские же зонды Deep Space1 (стартовал в 1998 году к комете Борелли) и Dawn (запущен в 2007 году для исследования астероидов Весты и Цереры) тоже оснащены ЭРД, правда, другого типа — ионными.
Пока на орбитах господствуют космические аппараты с химическими двигателями. Но конструкторы считают, что будущее — за гораздо более перспективными электрореактивными двигателями.
«Это лишь первые шаги, — говорит Олег Батищев, возглавлявший в Лаборатории космических двигателей (Space Propulsion Laboratory) факультета аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института (MIT) группу по разработке плазменного ЭРД принципиально нового типа. — Но, конечно, будущее именно за плазменными двигателями».
В начале 1990-х Олег Батищев, молодой кандидат физико-математических наук, выпускник и доцент МФТИ, работал в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, где занимался численным моделированием систем кинетических уравнений для электронов, ионов и нейтральных атомов. Эти исследования были нужны Курчатовскому институту для проекта международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER). «В работе над ИТЭРом принимало участие множество исследовательских групп из различных стран мира, русские работали в Германии, Англии, Японии, даже Мексике и Бразилии, — вспоминает Олег.- Среди американских участников была группа, которая занималась проблемой дивертора — пластины, отводящей энергию из реактора. Министерство энергетики США пригласило меня поработать над этой темой в Центре ядерного синтеза (MIT Plasma Science and Fusion Center) — до 1999 года, когда США вышли из проекта. Незадолго до этого я познакомился с Франклином Чанг-Диасом, физиком и астронавтом родом из Коста-Рики, выпускником MIT. Он в конце 1980-х в том же Центре ядерного синтеза занимался конструированием пробкотронов — магнитных ловушек для плазмы, не оправдавших ожиданий (плазма из них вытекала). Тогда ему и пришла в голову идея, как можно разгонять плазму и выталкивать ее в нужном направлении — то есть как сделать плазменный двигатель. Ему нужен был источник плотной плазмы, и мы его исследовали».
Изобретатель мини-геликонного плазменного двигателя Олег Батищев в фотостудии «Популярной механики» задумчиво смотрит вверх, представляя себе будущее, в котором такие двигатели будут разгонять космические корабли к планетам Солнечной системы.
Проект своего двигателя Чанг-Диас назвал Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (магнитоплазменный двигатель с изменяемым удельным импульсом), сокращенно VASIMIR (станция «Мир» тогда еще была на орбите), чуть позже название было изменено на VASIMR. До 2005 года Чанг-Диас разрабатывал свой проект в Лаборатории перспективных космических двигателей NASA (Advanced Space Propulsion Laboratory), а потом — в лабораториях собственной компании Ad Astra Rocket неподалеку от Хьюстона и в родной Коста-Рике.
Идея двигателя VASIMR весьма оригинальна. Он состоит из трех ступеней. Первая — геликонный источник плазмы, в котором газ ионизируется радиочастотным излучением специальной антенны в присутствии магнитного поля (это довольно распространенная конструкция). Во второй ступени происходит ускорение ионов резонансным высокочастотным полем: ионы вращаются в плоскости поперечного сечения, как в циклотроне (иногда это называют «циклотронным разогревом»). Последняя ступень — магнитное сопло, которое преобразует движение поперечно вращающихся частиц в продольное, выбрасывая разогнанную плазму с образованием тяги.
www.popmech.ru
Изобретение для использования в космической технике. Ядерный космический двигатель использует энергию ядерного синтеза. Представляет собой сочетание термоядерного двигателя с электрическим ракетным двигателем, которое дает возможность развивать скорость более 250 м/с во время старта и до 2
108 м/с в космическом пространстве. Содержит бак с жидким водородом, водородную трубку, насос и сопло. Изобретение позволяет получить импульс до 210-8 м/с. 1 ил.
Ядерный космический двигатель использует энергию ядерного синтеза. Представляет сочетание термоядерного двигателя с электрическим ракетным двигателем, дающее возможность развивать скорость более 250 м/сек во время старта и до 2 108 м/сек в космическом пространстве. Предназначен для космических кораблей и космических самолетов, выполняющих роль челноков между Землей и космическими кораблями на околоземной орбите, между Землей и Луной, а также для запуска искусственных спутников и возвращения их на Землю.
108 м/сек. На чертеже изображен продольный разрез ЯРД. Арабскими цифрами обозначены детали 1 - Корпус. 2- Рубашка, которая охлаждает соленоидную обмотку и нагревает водород, повышая его давление. 3 - Соленоидная обмотка силой Лоренца защищает стенку центрального канала от частиц с высокой энергией. 4 - Литиевая трубка с литием-6, являющимся ядерным топливом, вступающим в реакцию с медленными нейтронами. 5 - Насос закачивает струей расплавленный литий в нейтронный облучатель. 6 - Нейтронный облучатель облучает медленными нейтронами литий-6 с выделением энергии /литий-6 + нейтрон ---> гелий, + тритий +4,8 Мэв. 7 - Нейтронный замедлитель из оксида бериллия, замедляет нейтроны. 8 - Радиоактивный элемент, излучающий нейтроны. 9 - Отражатель нейтронов из оксида бериллия. 12 - Соленоидная обмотка. 10 - Кольцевидный катод и 11 - кольцевидный анод создают ассиметричное магнитное поле. Под действием силы Ампера происходит ускорение. 13 - Дейтериевая трубка. 14 - Насос закачивает дейтерий в реактивную камеру. 15 - Реактивная камера для термоядерной реакции образовавшегося трития с поступающим дейтерием. 16 - Соленоидная обмотка защищает стенку реактивной камеры из карбида циркония, температура пл. 3800oC с зеркальным покрытием. 17 - Центральный канал для прохождения плазмы. Стенка центрального канала из карбида циркония с зеркальным покрытием защищена силой Лоренца обмотки. 18 - Бак с жидким водородом. Водород охлаждает соленоидную обмотку, проходя через рубашку. 19 - Водородная труба. 20 - Насос. 21 - Зона ускорения для плазмы. Окружена соленоидной обмоткой. Содержит катод и анод. 22 - Соленоидная обмотка. 23 - Кольцевидный катод и 24 - Кольцевидный анод создают ассиметричное магнитное поле. Под действием силы Ампера ускоряется плазма. 25 - Сопло преобразует статическое давление в кинетическую энергию. Под корпусом 1 вокруг соленоидной обмотки 3, окружающей центральный канал, расположена рубашка 2. В передней части двигателя расположены литиевая трубка 4, насос 5, соединен с нейтронным облучателем 6, нейтронный замедлитель 7, радиоактивный элемент 8 и отражатель нейтронов 9, кольцевидный катод 10 и кольцевидный анод 11, окруженные соленоидной обмоткой 12. Дейтериевая трубка 13 через насос 14 соединена с реактивной камерой 15, окруженной соленоидной обмоткой 16. Реактивная камера через центральный канал 17 соединена с зоной ускорения 21. Бак 18 водородной трубой 19 через насос 20 соединен с рубашкой. Зона ускорения 21 окружена соленоидной обмоткой 22, содержит кольцевидный катод 23 и кольцевидный анод 24 и заканчивается соплом 25. Работа двигателя осуществляется следующим образом. Из литиевой трубки литий-6 закачивается насосом 5 в нейтронный облучатель 6. Струя лития облучается медленными нейтронами и ускоряется под действием ассиметричного магнитного поля и силы Ампера, созданных катодом 10, анодом 11 и соленоидной обмоткой 12. При облучении медленными нейтронами 1 кг лития-6 выделяет 1,12 1012 кал. Дейтерий, поступающий по трубке 13 в реактивную камеру 15, вступает в термоядерную реакцию с образовавшимся тритием. В результате термоядерной реакции образуются гелий + нейтрон + 1,69 1013 дж. = 4,2 1012 кал. В центральный канал 17 из бака 18 по трубе 19 насосом 20 водород закачивается в рубашку 2 и переходит в центральный канал, превращаясь в плазму, ускоренную в зоне ускорения 21. Ускоренная плазма выводит из сопла 25, преобразующего статическое давление плазмы в кинетическую энергию.Формула изобретения
Ядерный космический двигатель, содержащий корпус, бак с жидким водородом, водородную трубку, насос и сопло, отличающийся тем, что является термоядерным двигателем, содержащим электрический ракетный ускоритель, позволяющий развивать скорость до 2108 м/с.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
Двигатель предназначен для использования в космической технике. Термоядерный космический двигатель использует энергию термоядерного синтеза и представляет собой сочетание микротермоядерного реактора с электрогенератором постоянного тока и содержит бак с жидким водородом, центральный и ионный каналы, окруженные соленоидными катушками, кольцевидные катод и анод зоны ускорения, заканчивающейся тяговым соплом. Изобретение позволяет развивать скорость в космическом пространстве до 2 
108 м/с. 1 ил.
Термоядерный космический двигатель относится к космонавтике. Предназначен для космических кораблей, развивающих скорость более 2108 м/сек.
105 м/сек. Термоядерный ракетный двигатель до 3107 м/сек. Данный двигатель развивает скорость более 2108 м/сек с высоким коэффициентом полезного действия.Формула изобретения
Термоядерный космический двигатель, содержащий бак с жидким водородом, соединенный через насос, зону нагрева с центральным каналом, заканчивающимся зоной ускорения с электрическим ракетным двигателем, включающим кольцевидные катод и анод и ядерный реактор, отличающийся тем, что ядерный реактор выполнен в виде микротермоядерного реактора с соленоидной катушкой, соединенного с дейтериевой трубкой и тритиевой трубкой с тритием и через нейтронный облучатель, включающий отражатель нейтронов, - с трубкой ядерного топлива, которая может содержать литий-6, оружейные уран и плутоний, причем выход микротермоядерного реактора соединен с центральным каналом, окруженным соленоидной катушкой, креме того, никелевый анод водородной трубы с соленоидной катушкой, окружающей ионный канал, соединены с электрогенератором постоянного тока, который электропроводниками соединен с соленоидной катушкой, окружающей центральный канал и зону ускорения с кольцевидными катодом и анодом, и заканчивается тяговым соплом.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
